CN117936476A - 一种用于2.5d以及3d封装的散热结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于2.5D以及3D封装的散热结构，包括：基板；热电制冷芯片，其部分嵌入所述基板，使得其吸热面与所述基板接触，散热面远离所述基板；芯片堆叠结构，其设置于所述基板背离所述热电制冷芯片的一侧，且所述芯片堆叠结构与所述热电制冷芯片之间通过散热通道连通。本申请由于热电制冷芯片无机械移动部件、高可控性、长寿命的特点，使高密度堆叠芯片运行的故障率显著降低，从而提供了芯片散热结构更高的可靠性。

Description

一种用于2.5D以及3D封装的散热结构

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种用于2.5D以及3D封装的散热结构。

背景技术

传统的散热技术通常包括热管、散热片、风冷等，以通过导热材料将芯片产生的热量传送到散热端，通过散热端将热量散发到周围环境，这种方法在处理一些小热量的发热物体时可能是足够的，但在高密度、高性能的2.5D/3D芯片封装中存在散热不足、冷却能力低、不及时的问题。近年来，液冷散热技术通过在散热结构中引入冷却液体，降低物体温度，例如微通道液体冷却，但存在设计复杂、不稳定等问题。芯片内部仍存在温度不均的问题，形成热点，这会对芯片的稳定性和长寿命造成威胁。在传统散热技术中，对于高密度的芯片散热，可能无法满足大量热量的耗散和散热需求，同时如液冷等有效散热技术增加了系统的复杂性、成本和维护难度。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种用于2.5D以及3D封装的散热结构，主要解决现有散热技术的故障率高、散热温度不均匀、寿命低、温差大、散热慢且尺寸大的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

本申请提供一种用于2.5D以及3D封装的散热结构，包括：基板；热电制冷芯片，其部分嵌入所述基板，使得其吸热面与所述基板接触，散热面远离所述基板；芯片堆叠结构，其设置于所述基板背离所述热电制冷芯片的一侧，且所述芯片堆叠结构与所述热电制冷芯片之间通过散热通道连通。

在本申请一实施例中，所述基板上设置有凹槽，所述热电制冷芯片部分置于所述凹槽内。

在本申请一实施例中，所述凹槽底部设置有插孔，所述热电制冷芯片的固定端嵌入所述插孔进行固定。

在本申请一实施例中，所述热电制冷芯片用于与所述基板接触的平面上设置有金属层。

在本申请一实施例中，在所述金属层上设置导热层，所述导热层为流体材料，通过所述导热层填充所述金属层与所述基板之间的空隙。

在本申请一实施例中，所述基板上设置有多个第一通孔，所述第一通孔通过导热材料填充作为所述散热通道。

在本申请一实施例中，所述热电制冷芯片包括热电块。

在本申请一实施例中，所述热电制冷芯片背离所述基板的一侧设置有散热鳍片，所述散热鳍片通过焊锡和导热膏固定在所述热电制冷芯片上。

在本申请一实施例中，所述芯片堆叠结构包括多个硅通孔，通过所述硅通孔将所述芯片堆叠结构产生的热量传导至所述基板，并通过所述第一通孔将热量传导至所述热电制冷芯片。

在本申请一实施例中，所述散热鳍片上设置散热孔。

如上所述，本发明一种用于2.5D以及3D封装的散热结构，具有以下有益效果。

本申请通过将热电制冷芯片嵌入到基板，利用基板上的散热通道将芯片堆叠结构中的热量快速高效的导入热电制冷芯片进行散热，实现对芯片堆叠结构温度的有效控制，可提高芯片的稳定性和可靠性，延长芯片使用寿命。

附图说明

图1为本申请一实施例中用于2.5D以及3D封装的散热结构的示意图。

标号说明：

1-基板；2-热电制冷芯片；3-金属层；4,9-焊锡；5-第一通孔；6-散热鳍片；7-散热孔；8-导热膏；10-金属焊球；11-硅中介层；12-C2封装；13-2.5D芯片；14,16-硅通孔；15-3D芯片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，图1为本申请一实施例中用于2.5D以及3D封装的散热结构的示意图。该散热结构包括：基板1、热电制冷芯片2以及芯片堆叠结构。热电制冷芯片2部分嵌入基板1中，使得热电制冷芯片2的吸热面与基板1接触，散热面远离基板1，芯片堆叠结构设置于基板1背离热电制冷芯片2的一侧。可在基板1上设置散热通道，热电制冷芯片2和芯片堆叠结构之间通过基板1上的散热通道连通，芯片堆叠结构中产生的热量可直接通过散热通道传递至热电制冷芯片2。热电制冷芯片2的吸热面吸收热量后将热量传导至散热面完成快速散热。

在一实施例中，芯片堆叠结构可通过基板1上的金属焊球10进行倒装焊接，以固定在基板1上。芯片堆叠结构可包括硅中介层11、2.5D芯片13、3D芯片15。其中2.5D芯片13和3D芯片15可通过C2封装12与硅中介层11连接。

在一实施例中，在高集成度的电子设备中，有效的散热是关键，尤其是在使用高密度的2.5D芯片(13)/3D芯片(15)芯片堆叠技术的时候。因为这些芯片在运行时会产生大量的热量，如果没有及时有效地散热，可能会导致性能下降，甚至损坏芯片。在本申请实施例中，选择了一个独特的散热方式：将热电制冷芯片2镶嵌在基板1的下侧。这样做的好处是可以使散热系统与处理器保持一定的距离，从而减少了热交换对芯片性能的影响。当2.5D芯片(13)/3D芯片(15)芯片工作并产生热量时，热量会通过基板1传导到其下侧的热电制冷芯片2。热电制冷芯片2工作原理是通过电激励来驱动热量从吸热面传输到散热面。这意味着，当热电制冷芯片2被激活时，它可以从基板1上吸收热量，并将其传输到另一面。为了保持热电制冷芯片2的高效工作，可在热电制冷芯片2背离基板1的一侧安装了散热鳍片6。散热鳍片6可以增加散热面积，提高散热效率，确保热电制冷芯片2的散热面始终保持低温。这样，热电制冷芯片2可以持续、稳定地为2.5D芯片(13)/3D芯片(15)芯片提供冷却服务。此外，此设计还优化了空间利用，将散热系统嵌入到基板1中，这不仅节省了空间，而且还使得整个系统更为紧凑和美观。这种散热方法对于那些追求极致性能、但又不希望牺牲设备体积和外观的应用场合尤为理想。

在芯片的设计和封装过程中，考虑到热管理是至关重要的，尤其是对于高性能、高密度的2.5D芯片(13)/3D芯片(15)。为了确保芯片在高速运行时保持稳定的工作状态并且避免过热，本申请在基板1上设置了多个第一通孔，在各第一通孔内填充导热材料作为散热通道，芯片堆叠结构和热电制冷芯片2之间通过该散热通道连通。

在一实施例中，芯片堆叠结构中也可设置多个硅通孔，该硅通孔通过TSV(ThroughSilicon Via)技术制得。具体来说，芯片堆叠结构中的硅通孔14和16不仅作为电信号的传输通道，同时也被利用作为热量的传输通道。通过硅通孔将芯片堆叠结构产生的热量传导至基板1，并通过第一通孔将热量传导至热电制冷芯片2。当芯片堆叠结构中的硅通孔与基板1连接时，对应硅通孔可直接延伸进入基板1中的第一通孔5，该第一通孔内可填充硅。这一创新设计实现了两大目的：一是为信号提供了一个有效的传输路径，二是为热量提供了一个高效的散热通道。硅作为一种材料，其导热系数远远高于许多其他常见材料，例如常规的基板材料和空气。这意味着，通过第一通孔5进行的热量传输比传统的散热方法更为高效。热量可以迅速从芯片内部传递到基板1，然后被迅速散发到环境中，从而确保芯片始终在一个理想的温度范围内工作。此外，这种设计还为基板1的其它部分提供了额外的保护，因为热量被迅速地从芯片中转移走，避免了基板1的局部过热。这不仅可以延长芯片的使用寿命，还可以提高整体设备的性能和可靠性。

在一实施例中，可在基板1上设置凹槽，热电制冷芯片2被嵌入到基板1的凹槽中，这样可使得热电制冷芯片2与基板1紧密结合，从而优化热量的传递路径。

在一实施例中，基板1的凹槽内设置有插孔，热电制冷芯片2的固定端可插入该插孔中进行固定。具体地，插孔可设置于凹槽的两端，热电制冷芯片2通过两端的插孔实现稳固的固定，确保了其在整个设备的运行过程中能够稳定工作。

在一实施例中，在热电制冷芯片2用于与基板1接触的平面设置金属层3。具体地，为了进一步提高热量的传递效率，热电制冷芯片2的表面被溅射上了一层金属。这不仅增强了芯片的结构稳定性，而且为热电制冷芯片2和基板1之间的焊接提供了更好的界面。这种焊接方式确保了良好的机械连接和优良的热传递性能。

在一实施例中，可在热电制冷芯片2的金属层3上设置导热层，该导热层采用流体材料，通过导热层填充金属层3与基板1之间的空隙。具体地，由于在实际的生产过程中，接触面可能会存在微小的不规则性或空隙，这可能会导致接触热阻的增加。为了克服这一问题，焊接层的微小空隙中被涂覆了热界面材料。可采用固态热界面材料制作导热层，因为固态的导热能力明显高于空气，从而确保了热量顺畅地从基板1传递到热电制冷芯片2。示例性地，导热层可采用导热膏。导热膏是一种高效的热传导介质，它能够填充微小的空隙，优化接触面之间的热传递。此外，导热膏还具有良好的流动性和可塑性，能够适应不同的接触面形状和大小，确保了与接触表面的完美贴合，可确保热电制冷系统具有出色的散热性能。

在一实施例中，基板1的嵌入式设计让热电制冷芯片2完美融入其中，这种紧凑的布局不仅优化了空间利用率，而且在设计上更为美观和精致。嵌入于基板1中的热电制冷芯片2具有更近的距离和更直接的散热通道，从而加速了热量的传递。此外，由于嵌入式设计与基板1直接相连，可以方便地实现与基板1上的电源模块的连接，确保热电制冷芯片2得到稳定的电激励。除了主要的制冷功能，当外接电流方向发生变化时，热电制冷芯片2具备加热功能，这在某些特定应用中是非常有用的，如在寒冷环境下，保持芯片在最佳工作温度范围是至关重要的。

在一实施例中，热电制冷芯片2可采用热电块。具体地，热电块可包括硒化锡或者铋锑碲块体。以铋锑碲块体为例，铋锑碲块体很高的热电效率，并且可以制造到微米级别的厚度，确保其在微尺度设备中也具有出色的性能。由于其成熟的制造工艺和广泛的市场应用，这种材料不仅性能可靠，而且成本较低，易于获取。

在一实施例中，热电制冷芯片2的一侧利用散热鳍片6进行热量的散发。散热鳍片6可设置散热孔7，从而极大地增加了散热的表面积，使得热量可以更快速地散发到周围的空气中，大幅度增强了其散热效率。另外，为了确保热电制冷芯片2与散热鳍片6之间的热传递是顺畅的，可采用回流焊锡9和导热膏8进行固定和连接。这种双重的连接方式不仅保证了结构的稳固性，还确保了热传递路径的连续性和高效性。回流焊锡9为热电制冷芯片2和基板1提供了坚固的物理连接，而导热膏8则有效地填补了任何可能的微小空隙，从而避免了热阻的产生。这种设计的综合考虑，使得热电制冷芯片2在工作时，其吸热面能够迅速吸收来自芯片堆叠结构的热量，而散热面又能够迅速地将这些热量散发出去。这种快速的热量流转，确保了热电制冷芯片2的散热面与吸热面之间存在的显著温差，从而进一步增强了热电制冷的效果。这种设计不仅提高了芯片的稳定性和可靠性，而且延长了其使用寿命，为高性能计算带来了更大的保障。

在一实施例中，为了保证芯片结构的稳定性和提高整体的集成度，使得芯片在高运算负荷下的散热更为高效和及时，可以在基板1中适当增加硅填充的第一通孔的数量。这些第一通孔不仅增强了基板1的热传导性能，还确保了2.5D芯片(13)/3D芯片(15)通过硅通孔下传的热量能够更为迅速地传递到第一通孔的硅中，进而直接导向热电制冷芯片2。这种设计考虑旨在确保整体系统在持续高性能运行时，热量得到及时且均匀的分散，进一步保障芯片的持续稳定运行，降低因热量积聚引发的潜在风险。

本申请实施例的散热原理大致如下所述：热电制冷芯片2通常由多对串联或并联的N型和P型热电元件组成。这些热电元件经常以矩阵的形式布置，并通过导电材料连接。热电制冷芯片2的一侧为冷侧，吸收热量；另一侧为热侧，排放热量。当电流流过N型和P型半导体之间的连接处时，会有热量从其中一个半导体转移到另一个半导体。具体来说，如果在N型和P型半导体之间施加一个电压，电流会导致冷侧吸收热量并在热侧排放出热量。在这个高集成度的2.5D/3D芯片散热结构中，基于热电制冷技术的散热方法被应用于解决芯片高热产生问题。首先，当2.5D/3D芯片在运行过程中产生热量，该热量需要迅速传导并散发以保证芯片的稳定运行。为此，采用了嵌入基板1下侧的热电制冷芯片2，这种芯片能够通过电激励方式驱动热量从其吸热面传输到散热面。这意味着，热电制冷芯片2的吸热面会从与其相接的基板1吸收热量，然后，该热量会被传输到热电制冷芯片2的散热面。为了增强热电制冷芯片2的散热效果，该散热面还进一步连接了散热鳍片6，这些鳍片增加了散热面积，从而更高效地散发热量到周围环境。为了确保两者之间的高效热传导，使用了导热膏作为热界面材料，因为其固体的导热能力要比空气的导热能力强。此外，芯片堆叠结构的TSV技术使得热量可以直接从2.5D/3D芯片传导到基板1，然后由基板1的第一通孔快速传导到热电制冷芯片2。由于硅的导热系数比基板1材料和空气都大，这种设计确保了热量以最快的速度进行散热，从而有效地控制芯片的温度。总体来说，本申请实施例利用热电制冷技术、基板1内的硅通孔以及散热鳍片6，形成了一个高效、紧凑的散热方案，旨在为高集成度的2.5D/3D芯片提供稳定且高效的冷却效果。基于以上本申请实施例的技术方案，由于其无机械移动部件、高可控性、长寿命的特点，使高密度堆叠芯片运行的故障率显著降低，从而提供了芯片散热结构更高的可靠性。其次，它可以通过调整电流来精确地控制冷却效果，确保芯片始终工作在其最佳温度范围内。此外，由于其模块化和小巧的特点，热电制冷模块可以轻松地适应2.5D/3D封装的空间限制，并可以根据需要定制。值得注意的是，与其他液体冷却系统不同，热电制冷避免了使用液体冷却剂，因此不存在液体泄漏的风险。更重要的是，它能够迅速响应并调整其冷却能力，以应对芯片的瞬时热负荷变化。最后，它能够直接定位到芯片的热点，实现局部冷却，从而避免热不均匀带来的性能和寿命下降。通过结合2.5D/3D芯片封装与热电制冷技术，为高密度、高性能的芯片提供了高效、快速的散热方式，有助于维持芯片的稳定运行和提高其寿命。

特殊的带有插孔的热电制冷芯片2和孔状的散热鳍片6设计确保了散热效率的最大化。该封装结构考虑了散热鳍片6和热电制冷芯片2的整合，实现了温度的快速、精确控制。基板1中的凹槽和插孔设计，使得热电制冷芯片2的安装更为便捷，同时增强了整体散热效果。利用高导热系数的半导体硅填充的基板1上的第一通孔，确保了从芯片的TSV到热电制冷芯片2的热量快速传递，大大提高了温度控制的精确性和效率。该封装结构为高集成度的芯片提供了一种既高效又稳定的散热解决方案，充分满足了现代高性能计算需求下对芯片散热的挑战。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，包括：

基板；

热电制冷芯片，其部分嵌入所述基板，使得其吸热面与所述基板接触，散热面远离所述基板；

芯片堆叠结构，其设置于所述基板背离所述热电制冷芯片的一侧，且所述芯片堆叠结构与所述热电制冷芯片之间通过散热通道连通。

2.根据权利要求1所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述基板上设置有凹槽，所述热电制冷芯片部分置于所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述凹槽底部设置有插孔，所述热电制冷芯片的固定端嵌入所述插孔进行固定。

4.根据权利要求1所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述热电制冷芯片用于与所述基板接触的平面上设置有金属层。

5.根据权利要求4所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，在所述金属层上设置导热层，所述导热层为流体材料，通过所述导热层填充所述金属层与所述基板之间的空隙。

6.根据权利要求1所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述基板上设置有多个第一通孔，所述第一通孔通过导热材料填充作为所述散热通道。

7.根据权利要求1所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述热电制冷芯片包括热电块。

8.根据权利要求1所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述热电制冷芯片背离所述基板的一侧设置有散热鳍片，所述散热鳍片通过焊锡和导热膏固定在所述热电制冷芯片上。

9.根据权利要求6所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述芯片堆叠结构包括多个硅通孔，通过所述硅通孔将所述芯片堆叠结构产生的热量传导至所述基板，并通过所述第一通孔将热量传导至所述热电制冷芯片。

10.根据权利要求8所述的用于2.5D以及3D封装的散热结构，其特征在于，所述散热鳍片上设置散热孔。